复杂地质条件矿井水平定向钻进施工技术分析

王跃东

（大同煤矿集团地质勘测处，山西大同 037003）

复杂地质条件矿井水平定向钻进施工技术分析

王跃东

（大同煤矿集团地质勘测处，山西大同 037003）

我国引进的煤层水平定向钻进技术，应用于煤矿井下地质构造探测和高瓦斯矿井抽采瓦斯收到了良好的效果，但在地质构造复杂的矿井，水平深孔钻进受到诸多因素的制约。文章结合焦家寨煤矿工程实际，分析探讨钻进施工技术，对地质条件相似的煤矿进行水平定向钻进具有借鉴作用。

煤矿地质；复杂条件；水平钻进；瓦斯抽放

1 煤矿井下水平定向钻进技术概述

1.1 国外技术发展

20世纪80年代初，英国研制出采样孔底马达定向钻进技术的煤矿井下水平定向钻机，水平钻孔最大深度当时只达635m。80年代中期该技术成为澳大利亚煤矿抽放瓦斯和地质勘探的主要手段，孔深达700m左右。随着设备和施工技术的改进，最大孔深纪录不断被刷新，2002年达到1 761m［1］。

1.2 国内应用情况

上世纪90年代中期，我国部分煤矿企业相继从美国、澳大利亚进口9套km水平定向钻机，如美国制造的LHD-15型钻机、澳大利亚制造的LMC-75型和UDR系列水平定向钻机，分别在松藻、铁头、淮南、抚顺、平顶山等矿务局试用。由于各地矿井地质条件复杂程度不尽相同，配套的钻杆壁较薄，强度有限，进口钻机使用过程中时有钻杆折断、螺杆钻具脱落等孔内事故发生，最深钻孔也不足钻机标定能力的1/2，成孔率很低。2003年，山西亚美大宁能源有限公司引进澳大利亚VLD深孔定向钻机，进行地面煤矿瓦斯抽采和探测地质构造，主孔深度钻达1 002m，终孔直径94mm［2］。晋城寺河煤矿自2005年前后引进澳大利亚VLD-1000型水平定向钻机6套，于2006年完成主孔深200～500m的沿煤层定向瓦斯抽采钻孔。中煤柳林沙曲煤矿配备2台澳大利亚1 000m水平定向钻机、4台德国抽采钻机，专门用于井下煤层水平钻进抽采瓦斯，水平钻深达600多m。宁夏煤业集团白箕沟矿2007年引进澳大利亚的钻机，在半煤半岩地层钻进，孔深1 023m，终孔直径94mm的水平钻孔。2009年大同煤矿集团配备澳大利亚VLD-1000型水平定向钻机，在轩岗煤电公司焦家寨煤矿井下钻进，进行瓦斯抽放孔施工，效果良好。

2 水平定向钻进技术原理与钻进工艺

澳大利亚钻机上配备的DDM-MECCA随钻测量系统在轩岗焦家寨煤矿使用，施工钻孔直径在89-96mm之间，钻孔定向方位或倾斜角偏差可控制精度在0.5°/100m以内。该技术的关键是孔底马达与随钻测斜技术的结合，控制钻孔钻进方向。水平定向钻机采用螺杆钻具（又称螺杆马达）。钻头驱动是以高压冲洗液为传递动力介质的一种孔底动力钻具，附带有不同形式的造斜部件（弯外管或弯接头），并配备随钻测斜仪器，可较灵活地调控钻进方向。与传统的回转钻具不同之处是螺杆马达驱动钻头旋转，钻进时钻杆柱和螺杆钻具的外壳（包括选斜件）是不旋转的，造斜件弯曲的方向即是钻孔将要钻进的方向［3］，钻具结构见图1。

图1 孔内马达驱动装置示意图

钻孔过程中通过钻杆柱（正转孔口钻具）调整螺杆钻具上造斜件的工具面向角，控制钻进的方位和倾角，使其朝向预定方向钻进而达到定向的目的。钻头旋转的基本原理是高压水（水压350 psi～900 psi）通过钻杆输送至孔内马达，马达内部的转子在高压水的冲击作用下转动，通过前端轴承带动钻头旋转。钻孔时钻杆本身主要是起推进作用而不旋转，由孔底马达驱动钻头作旋转运动，达到破碎煤岩的目的，并有效地降低了钻机的负载。孔内定向马达的关键部件是弯接头，它和钻杆之间形成一定的夹角，钻孔的轨迹不是传统钻机打直线，而是偏向弯接头方向的空间曲线。通过选择不同规格（0.75°，1°，1.25°，1.5°，2°，指每钻进6m所能偏向的最小值）的弯接头调控钻孔曲率半径，并在孔内预定的位置可再作分支孔钻进［4］。钻机配套的远程通讯测量系统实时显示钻孔内前端方位角、倾角和弯接头方向等测量参数和钻孔轨迹曲线，保证深孔定向按照预定的轨迹进行钻进。根据孔内测量参数可计算出每处测点的坐标值，自动描绘出钻孔轨迹空间曲线在水平和垂直平面上的投影轨迹图。随钻进实时进行轨迹线比对，及时调整弯接头方向，使钻进轨迹与设计预期轨迹达到最大限度吻合。

3 水平定向钻进的工程问题与技术措施

3.1 钻场地质基本概况

同煤集团轩岗煤电公司焦家寨矿位于宁武煤田，主要开采石炭系太原组5#煤层，煤层厚度约为11.0～13.9m，平均12.3m。井田内断裂地质构造发育多为阶梯状正断层，煤体被地质构造切割挤压的破碎、松软。矿井瓦斯含量较高，属于高瓦斯矿井。为了排除焦家寨煤矿高瓦斯这一煤矿生产安全隐患，相继在09#工作面和05#工作面4#，5#煤层和之上的顶板中施工了5个水平钻孔，进行煤矿井下瓦斯预抽采和地质构造探测，水平定向钻孔施工数据见表1。钻孔轨迹见图2，3。

表1 轩岗焦家寨矿水平定向钻孔施工数据表

3.2 水平钻进施工问题

由于焦家寨井田断裂构造发育，井下地质条件复杂，按原设计开孔钻进抽放瓦斯，钻孔必然要穿过断层破碎带、薄煤层等松散、软弱煤岩地层后才能到达目的层。钻进中虽然对钻具、钻速、泵量及钻进方式等技术工艺进行反复调试，钻进效果仍不理想，施工难度很大。由于钻孔有一定的仰角，当钻具起出孔口时，孔内循环液随即顺孔壁全部流出孔口，导致孔中压力急速降低，松散、软弱层段垮落，当再次钻入时就不能达到原孔深，必须重新钻进，钻进效率极低且易卡钻。如09#工作面水平钻进的前期施工中，孔内煤岩层垮落极为严重，虽然采取了多种技术措施，如注马立休、马立散、美多宝等多种化学钻井浆体护孔，但效果不明显，严重时定位测量系统被卡失灵。

图2 05#工作面2#钻场4#孔垂直剖面轨迹图

图3 05#工作面2#钻场4#孔水平面轨迹图

3.3 技术改进措施

综合分析施工不利因素后，调整原设计方案，钻进的层段选在5#煤层上部较稳定的砂岩及砂质泥岩中。钻进过程中也遇到过岩层破碎、垮塌、断层阻隔、岩石硬度增大、材料消耗增加等技术难题，但利用钻机本身的造斜定向功能，根据地层岩性变化，结合分析以往的钻进经验，及时调整钻进的倾角和方位，以及多次进行分支钻进，完成了5个钻孔的施工，达到了设计的基本要求和施工目的，抽放瓦斯其效果良好。

4 结论和建议

在地质构造复杂煤矿区钻进松散、软弱煤岩层段，特别是钻遇断层破碎带、陷落柱等破碎松软岩层时，极易出现孔内垮塌、卡钻、埋钻等事故，严重影响钻进效率，建议采取以下措施：

1）在地质构造复杂的矿区，应选择煤层上部较为稳定的煤岩层段内钻进，实现水平深孔以及多分支钻进，利于抽放瓦斯；

2）螺杆马达对冲洗液的净化技术要求高，同时也受配套钻具结构的制约，需研制适合国内矿井地质条件的国产钻液，降低钻进成本；

3）岩石硬度过大的井田区域钻具耗损严重，不适宜用此钻机施工；

4）钻具导向控制系统结构复杂价格昂贵，对操作人员的计算机应用能力和地质因素的判别水平要求较高，应培养具有良好敬业精神的技术骨干，保证钻进质量和效率。

［1］姚宁平.我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展［J］.煤田地质与勘探，2008（4）：81-83.

［2］石智军，胡少韵，姚宁平.煤矿井下瓦斯抽采（放）钻孔施工新技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2008.

［3］韩广德.中国煤岩工业钻探工程学［M］.北京：煤炭工业出版社，2000.

［4］汪敏华.澳大利亚长孔水平钻机在淮南煤矿井下的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2000（01）：29-30.

〔编辑 石白云〕

An Analysis of the Horizontal Drilling Technology in Coal Shafts with Complicated Geological Conditions

WANG Yue-dong
（Division of Geological Survey，Datong Coalmines Group，Datong Shanxi，037003）

The introduced horizontal drilling technology may well apply to geological structure detection，and for gas discharge.However，in shafts where the geological condition is complicated，this technology is restricted by many factors.This article，by taking the example of Jiajiazhai Coalmine，tires to analyze the drilling technology，which provides a good reference for coalmines with similar geological conditions.

coalmine geology；complicated conditions；horizontal drilling；gas discharge

TD219

A

1674-0874（2011）03-0069-03

2011-03-20

王跃东（1960-），男，山西大同人，工程师，研究方向：煤矿地质及管理。